(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーモグラフィによって対象物（１）を評価する装置であって、
第１の対物軸（２ａ）を有する対物レンズを含み、前記対象物（１）の少なくとも１つのサーモグラフィ光画像（４）を記録する赤外線カメラ（２）と、
第２の対物軸（３ａ）を有する対物レンズを含み、少なくとも１つの情報を前記対象物（１）へ投影する投影ユニット（３）と、
２つの前記対物軸（２ａ，３ａ）は相互に平行に配置されており、
前記赤外線カメラ（２）および前記投影ユニット（３）の各対物軸（２ａ，３ａ）上に配置され、前記赤外線カメラ（２）もしくは前記投影ユニット（３）の一方の対物軸（２ａ；３ａ）を前記対象物（１）への方向で他方の対物軸（３ａ；２ａ）へ反射させ、前記対象物（１）からの赤外光を前記赤外線カメラ（２）の方へ偏向もしくは透過させ、前記投影ユニット（３）からの光を前記対象物（１）の方へ透過もしくは偏向させる、分配ユニット（５）と
を備える
ことを特徴とするサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項２】
さらに、記録された前記サーモグラフィ光画像（４）によって検出される前記対象物（１）の位置と前記対象物（１）の目標位置とを比較する比較装置が設けられており、前記投影ユニット（３）は、前記対象物（１）の位置を前記対象物（１）の目標位置の方へ変更するための情報を、前記対象物（１）へ投影する、請求項１記載のサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項３】
前記対象物（１）の位置を変更するための情報は、赤から黄ないし緑へ変化する色、例えば、前記対象物（１）へ投影される前記サーモグラフィ光画像（４）自体の変化する色である、請求項２記載のサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項４】
前記対象物（１）の位置を変更するための情報は、前記対象物（１）へ投影される方向矢印である、請求項２または３記載のサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項５】
アクティブサーモグラフィのために前記対象物（１）を少なくとも部分的に加熱する少なくとも１つのエネルギ源が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項６】
前記投影ユニット（３）は、前記情報としての前記サーモグラフィ光画像（４）を、前記対象物（１）の形状に一致するように前記対象物（１）へ投影する、請求項１から５までのいずれか１項記載のサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項７】
前記赤外線カメラ（２）および前記投影ユニット（３）の複数の光学系の結像比率および歪みをキャリブレーションパターンおよびキャリブレーションアルゴリズムによって補償する歪み除去装置（６）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項８】
前記分配ユニット（５）の、第１の作用層と反射される対物軸に交差する付加的な第２の作用層とは、相互に平行に、かつ、前記２つの対物軸（２ａ，３ａ）を通って広がる平面に対して垂直に配置されており、各作用層は４５°の交差角で各交点において各対物軸（２ａ，３ａ）に交差しており、２つの交点を通る直線は前記２つの対物軸（２ａ，３ａ）に対して垂直である、請求項１から７までのいずれか１項記載のサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項９】
前記分配ユニット（５）の前記第１の作用層は部分透過性のビームスプリッタもしくは旋回可能な光学鏡であり、前記付加的な第２の作用層は光学鏡である、請求項８記載のサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの作用層は、ガラスもしくは石英ガラスもしくはゲルマニウムもしくはケイ素もしくは臭ヨウ化タリウムもしくはフッ化カルシウムもしくはセレン化亜鉛もしくは他の赤外線透過材料を含む、請求項８または９記載のサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの作用層は厚さ０．１ｍｍから１．５ｍｍである、請求項８から１０までのいずれか１項記載のサーモグラフィによって対象物を評価する装置。
【請求項１２】
サーモグラフィによって対象物（１）を評価する方法であって、
第１の対物軸（２ａ）を有する対物レンズを含む赤外線カメラ（２）により、前記対象物（１）の少なくとも１つのサーモグラフィ光画像（４）を記録するステップと、
第２の対物軸（３ａ）を有する対物レンズを含む投影ユニット（３）により、少なくとも１つの情報を前記対象物（１）へ投影するステップと
を含み、２つの前記対物軸（２ａ，３ａ）は相互に平行に配置されており、さらに、
前記赤外線カメラ（２）および前記投影ユニット（３）の各対物軸（２ａ，３ａ）上に配置された分配ユニット（５）により、前記赤外線カメラ（２）もしくは前記投影ユニット（３）の一方の対物軸（２ａ；３ａ）を前記対象物（１）への方向で他方の対物軸（３ａ；２ａ）へ反射させ、前記対象物（１）からの赤外光を前記赤外線カメラ（２）の方へ偏向もしくは透過させ、前記投影ユニット（３）からの光を前記対象物（１）の方へ透過もしくは偏向させるステップと
を含む
ことを特徴とするサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【請求項１３】
さらに、比較装置により、記録された前記サーモグラフィ光画像（４）によって検出される前記対象物（１）の位置と前記対象物（１）の目標位置とを比較し、前記投影ユニット（３）により、前記対象物（１）の位置を前記対象物（１）の目標位置の方へ変更するための情報を前記対象物（１）へ投影する、請求項１２記載のサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【請求項１４】
前記対象物（１）の位置を変更するための情報は、赤から黄ないし緑へ変化する色、例えば、前記対象物（１）へ投影される前記サーモグラフィ光画像（４）自体の変化する色である、請求項１３記載のサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【請求項１５】
前記対象物（１）の位置を変更するための情報は、前記対象物（１）へ投影される方向矢印である、請求項１３または１４記載のサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【請求項１６】
アクティブサーモグラフィのために、少なくとも１つのエネルギ源により、前記対象物（１）を少なくとも部分的に加熱する、請求項１２から１５までのいずれか１項記載のサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【請求項１７】
前記投影ユニット（３）により、前記情報としての前記サーモグラフィ光画像（４）を、前記対象物（１）の形状に一致するように前記対象物（１）へ投影する、請求項１２から１６までのいずれか１項記載のサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【請求項１８】
歪み除去装置（６）により、前記赤外線カメラ（２）および前記投影ユニット（３）の複数の光学系の結像比率および歪みをキャリブレーションパターンおよびキャリブレーションアルゴリズムによって補償する、請求項１２から１７までのいずれか１項記載のサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【請求項１９】
前記分配ユニット（５）の、第１の作用層と、反射されるべき対物軸と交差する付加的な第２の作用層とは、相互に平行に、かつ、前記２つの対物軸を通って広がる平面に対して垂直に配置されており、各作用層は４５°の交差角で各交点において各対物軸に交差しており、２つの交点を通る直線は前記２つの対物軸に対して垂直である、請求項１２から１８までのいずれか１項記載のサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【請求項２０】
前記分配ユニット（５）の前記第１の作用層は部分透過性のビームスプリッタもしくは旋回可能な光学鏡であり、前記付加的な第２の作用層は光学鏡である、請求項１９記載のサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【請求項２１】
少なくとも１つの作用層は、ガラスもしくは石英ガラスもしくはゲルマニウムもしくはケイ素もしくは臭ヨウ化タリウムもしくはフッ化カルシウムもしくはセレン化亜鉛もしくは他の赤外線透過材料を含む、請求項１９または２０記載のサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【請求項２２】
少なくとも１つの作用層は厚さ０．１ｍｍから１．５ｍｍである、請求項１９から２１までのいずれか１項記載のサーモグラフィによって対象物を評価する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーモグラフィによって対象物を評価する装置および方法に関する。
【０００２】
アクティブサーモグラフィは、励起により検査対象物の外側に生じた熱を赤外線カメラで記録する、現代の非破壊検査方法である。アーク、高温空気、超音波、誘導を用いた励起方式と評価方式とを適切に選定することにより、検査部位に存在する断裂もしくは層剥離などの欠陥を見出すことができる。これらの欠陥は隠れており、侵襲検査などの従来の方法では識別できないかまたは可視化できないことがあった。したがって、こうした検査には、次のような２つの問題点が存在する。
【０００３】
問題点１）正確な励起を行うために、検査部位を正確に配向する必要がしばしば生じる。例えば、音響式サーモグラフィでは超音波の入力位置を、誘導式サーモグラフィではコイルに対する検査部位の位置を、正確に配向しなければならない。
【０００４】
問題点２）検査結果は２次元画像として電子的に得られるのみであり、検査部位と直接に比較できないので、データの解釈が困難となることが多い。汚れに起因する誤表示が生じる場合、特にそうである。隠れた欠陥は間接的にしか位置特定できない。なぜなら、隠れた欠陥の性質が表面では可視でないからである。
【０００５】
問題点１について：検査対象物を正確に位置決めするために、通常、検査対象物の支承部に適切なマーカーを配置して利用している。しかし、こうしたマーカーは検査対象物ごとに取り付けられなければならず、検査対象物ないしその部分のバリエーション数に応じて、多かれ少なかれ煩雑である。また、検査人員が正しいマーカーを選択していることを保証する必要も生じる。
【０００６】
問題点２について：表示を評価するにあたり、検査画像は、たいていの場合、実際の検査対象物ないしその部位と比較される。このために、検査対象物は、例えば手動で、モニタ画像の前で運動および回転される。欠陥の位置特定は、エッジ削れ、層剥離、ひっかき傷、凹みその他の表面特性に基づいて行われる。検査対象物がパターニングされていない場合には、位置特定はいちじるしく困難となる。
【０００７】
したがって、本発明の課題は、従来技術に比べて精度および信頼性の高いサーモグラフィ検査を行える対象物の評価装置および評価方法を提供することである。特に、対象物の位置および実際の対象物上での欠陥の位置を高い精度で特定できることが望ましい。
【０００８】
この課題は、本発明の請求項１記載の特徴を有する装置および本発明の請求項１４の特徴を有する方法により解決される。
【０００９】
本発明は第１に、サーモグラフィによって対象物を評価する装置に関している。本発明の装置は、第１の対物軸を有する対物レンズを含み、対象物の少なくとも１つのサーモグラフィ光画像を記録する赤外線カメラと、第２の対物軸を有する対物レンズを含み、少なくとも１つの情報を対象物へ投影する投影ユニットと、赤外線カメラおよび投影ユニットの各対物軸上に配置され、赤外線カメラもしくは投影ユニットの一方の対物軸を対象物への方向で他方の対物軸へ反射させ、対象物からの赤外光を赤外線カメラの方へ透過もしくは偏向させ、投影ユニットからの光を対象物の方へ偏向もしくは透過させる、分配ユニットとを備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明は第２に、サーモグラフィによって対象物を評価する方法に関する。本発明の方法は、第１の対物軸を有する対物レンズを含む赤外線カメラにより、対象物の少なくとも１つのサーモグラフィ光画像を記録するステップと、第２の対物軸を有する対物レンズを含む投影ユニットにより、少なくとも１つの情報を対象物へ投影するステップと、赤外線カメラおよび投影ユニットの各対物軸上に配置された分配ユニットにより、赤外線カメラもしくは投影ユニットの一方の対物軸を対象物への方向で他方の対物軸へ反射させ、対象物からの赤外光を赤外線カメラの方へ透過もしくは偏向させ、投影ユニットからの光を対象物の方へ偏向もしくは透過させるステップとを含むことを特徴とする。
【００１１】
対物軸とは対物レンズの光軸である。光軸は有利には対物レンズの対称軸線である。有利には、対物レンズは対物軸に対して回転対称である。
【００１２】
一方の対物軸が対象物への方向で他方の対物軸へ反射されるとは、一方の（反射される）対物軸に沿って走行する光ビームが、分配ユニットによって偏向され、分配ユニットを出た後、他方の対物軸に沿って対象物の方へ走行することを意味する。一方の対物軸は、分配ユニットにより、他方の対物軸へ、同形に、すなわち、ぴったり一致するように、反射される。つまり、一方の対物軸に沿って走行する光ビームの少なくとも１つの成分が、分配ユニットの後方で、他方の対物軸に沿って走行するのである。
【００１３】
可視光と赤外光とを分離可能な分配ユニットを用いて、適切な投影ユニットにより、付加的な情報を検査すべき対象物へ投影することができる。
【００１４】
本発明の装置によれば、赤外線カメラの視野角と投影ユニットの視野角とを等しくすることができる。このようにすれば、種々の視野角によって３次元対象物に生じる視差を排除することができる。
【００１５】
他の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１６】
本発明の有利な実施形態によれば、記録されたサーモグラフィ光画像によって検出される対象物の位置と対象物の目標位置とを比較する比較装置が設けられ、投影ユニットによって、対象物の位置を対象物の目標位置の方へ変更するための情報が対象物へ投影される。検査すべき対象物の正確な位置決めのために、対象物の位置が赤外線カメラによって記録され、内部の基準位置と比較される。ついで、投影ユニットにより、検査すべき対象物を正確に配向するための少なくとも１つの情報を対象物へ投影される。
【００１７】
本発明の別の有利な実施形態によれば、対象物の位置を変更するための情報は、赤から黄ないし緑へ変化する色、特に、対象物へ投影されるサーモグラフィ光画像自体の変化する色である。
【００１８】
本発明の別の有利な実施形態によれば、対象物の位置を変更するための情報は方向矢印であり、これが対象物へ投影される。
【００１９】
本発明の別の有利な実施形態によれば、アクティブサーモグラフィのために対象物を少なくとも部分的に加熱する少なくとも１つのエネルギ源が設けられている。
【００２０】
本発明の別の有利な実施形態によれば、投影ユニットは、情報としてのサーモグラフィ光画像を対象物の形状に一致するように対象物へ投影する。
【００２１】
欠陥の評価のために、サーモグラフィの結果画像を対象物上へ投影することができる。分配ユニットから赤外線カメラないし投影ユニットを介した対象物までの光路が等しいので、形状のまったく等しい投影が可能となる。よって、光学的な視野角も等しく、赤外線カメラおよび投影装置を正確に配向することができる。これにより、評価がいちじるしく簡単化される。有利な実施形態によれば、赤外線検査画像を、その形状が一致するように、検査すべき対象物へ投影することができる。このようにすれば、赤外線画像が良好に解釈可能となり、欠陥の位置を正確に特定できる。また、汚れによって発生する偽表示の識別も容易となる。
【００２２】
本発明の別の有利な実施形態によれば、赤外線カメラおよび投影ユニットの複数の光学系の結像比率および歪みをキャリブレーションパターンおよびキャリブレーションアルゴリズムによって補償する歪み除去装置が設けられる。２つの光学装置の双方で歪み補正が行われる場合、これを、適切なキャリブレーションパターンおよびキャリブレーションアルゴリズムによって実行可能である。よって、本発明の方法および装置では、サーモグラフィ光画像（検査画像とも称される）の歪みのみを補正すれば良い場合もある。
【００２３】
本発明の別の有利な実施形態によれば、２つの対物軸は９０°の対物軸交差角で交差しており、分配ユニットの作用層は、２つの対物軸を通って広がる平面に対して垂直に配置され、かつ、対物軸交差角を２分する。
【００２４】
本発明の別の有利な実施形態によれば、２つの対物軸は相互に平行に配置されており、分配ユニットの、第１の作用層と、反射されるべき対物軸と交差する付加的な第２の作用層とは、相互に平行に、かつ、２つの対物軸を通って広がる平面に対して垂直に配置され、各作用層は４５°の交差角で各交点において各対物軸に交差し、２つの交点を通る直線は２つの対物軸に対して垂直である。この実施形態では、第２の作用層が反射されるべき対物軸の光路に配置されて、光ビームが９０°偏向されるので、赤外線カメラおよび投影ユニットを相互に平行に配置できる。このため、本発明の装置の全体構造をコンパクト化できる。
【００２５】
本発明の有利な実施形態では、分配ユニットの作用層は部分透過性のビームスプリッタもしくは旋回可能な光学鏡である。部分透過性のビームスプリッタは、特に、可視光を赤外光から分離する。こうしたビームスプリッタは例えば赤外光を透過させ、可視光を偏向する。逆ももちろん可能である。部分透過性のビームスプリッタに代えて、後方投影の場合にのみ、回動可能な光学鏡を用いてもよい。この場合、こうした光学鏡が部分透過性を有する必要がなくなる。
【００２６】
本発明の別の有利な実施形態によれば、分配ユニットの第１の作用層は部分透過性のビームスプリッタもしくは旋回可能な光学鏡であり、付加的な第２の作用層は光学鏡である。
【００２７】
本発明の別の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの作用層は、ガラスもしくは石英ガラスもしくはゲルマニウムもしくはケイ素もしくは臭ヨウ化タリウムもしくはフッ化カルシウムもしくはセレン化亜鉛もしくは他の赤外線透過材料を含む。
【００２８】
本発明の別の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの作用層は厚さ０．１ｍｍから１．５ｍｍである。
【００２９】
本発明の２つの実施例を図に即して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の装置の第１の実施例を示す図である。
【図２】本発明の装置の第２の実施例を示す図である。
【図３】本発明の方法の第１の実施例を示す図である。
【００３１】
図１には本発明の装置の第１の実施例が示されている。この実施例によれば、本発明の装置は、第１の対物軸２ａを有する対物レンズを含み、対象物１の少なくとも１つのサーモグラフィ光画像４を記録する赤外線カメラ２を備える。サーモグラフィ光画像４はサーモグラフィによって評価される画像である。また、本発明の装置は、第２の対物軸３ａを有する対物レンズを含み、少なくとも１つの情報を対象物１へ投影する投影ユニット３を備える。この実施例では、情報とは、対象物１の位置を変更する情報、特に、対象物１へ投影される方向矢印である。本発明の装置はさらに、赤外線カメラ２および投影ユニット３の対物軸２ａ，３ａ上に配置される分配ユニット５を含む。分配ユニット５は、投影ユニット３の対物軸３ａを対象物１への方向で赤外線カメラ２の対物軸２ａへ反射させる。また、分配ユニット５は、投影ユニット３の光を対象物１の方へ偏向させる。さらに分配ユニット５は、対象物１からの赤外光を赤外線カメラ２の方へ透過させる。
【００３２】
ここで使用されている分配ユニット５は作用面を有する。この作用面は、作用層とも称され、特には、赤外光を透過して可視光を反射させる部分透過性のビームスプリッタである。また、作用層は回動可能な光学鏡であってもよい。こうした回動可能な鏡が用いられる場合、赤外線画像の記録がまず行われ、その後で対象物１への情報の投影が行われる。つまり、光学鏡が外側へ回動されたときに、赤外線カメラ２による記録が行われ、光学鏡が内側へ回動されたときに、投影ユニット３による対象物１への情報（ここでは方向矢印）の投影が行われるのである。ビームスプリッタは例えばシリコンウェハである。基本的には、赤外線カメラ２の位置と投影ユニット３の位置とは交換可能である。この場合には分配ユニット５は可視光を透過し、赤外光を反射する。投影ユニット３は例えばビーマーであってよい。
【００３３】
さらに、図１には、赤外線カメラ２および投影ユニット３の光学系の結像比率および歪みをキャリブレーションパターンおよびキャリブレーションアルゴリズムによって補償する歪み除去装置６が設けられることが示されている。
【００３４】
図２には本発明の装置の第２の実施例が示されている。ここで、図２の装置は図１の装置におおよそ相当するが、次の２点で異なっている。すなわち、第１に、対物軸２ａ，３ａが相互に平行に配置されていること、第２に、分配ユニット５に付加的な作用層が設けられていることである。
【００３５】
分配ユニット５の第１の作用層（図１の作用層に対応）と、反射されるべき対物軸３ａと交差する付加的な第２の作用層とは、相互に平行であり、各対物軸２ａ，３ａの平面に対して垂直に延在する。各作用層はそれぞれ４５°の角度で各対物軸に交差して１つずつの交点を形成している。２つの交点を通る直線は２つの対物軸２ａ，３ａに対して垂直である。分配ユニット５の第１の作用層は、この場合、図１の作用層と同様の部分透過性のビームスプリッタもしくは回動可能な光学鏡であってよい。第２の作用層は有利には光学鏡である。図２の実施例では、第２の作用層である光学鏡は投影ユニット３の光路上に位置決めされ、投影ユニット３への光ビームが図１とは異なってさらに９０°偏向されるので、赤外線カメラ２および投影ユニット３を相互に平行に配置できる。この手段によれば、本発明の装置の全体構造はいっそうコンパクトになる。
【００３６】
図１および図２の投影ユニット３は、例えば、ビーマー、特に微細化されたビーマーである。投影ユニット３によって対象物１へ投影される情報は、例えば、画像、カラーサークルの形態の色情報、赤外線カメラ２によって記録されたサーモグラフィ光画像４ないしサーモグラフィ検査画像であってよい。最後の検査画像は、当該検査画像（サーモグラフィ光画像４）と実際の対象物１とを直接に比較できるようにするものである。
【００３７】
図３には、本発明の方法の実施例が示されている。サーモグラフィ（特にアクティブサーモグラフィ）による対象物の評価方法は、少なくとも以下の３つのステップＳ１−Ｓ３を含む。すなわち、第１のステップＳ１では、赤外線カメラおよび投影ユニットの各対物軸上に分配ユニットが配置され、この分配ユニットにより、投影ユニットの対物軸が対象物への方向で赤外線カメラの対物軸へ反射され、対象物からの赤外光が赤外線カメラの方へ透過され、投影ユニットからの光が対象物の方へ偏向される。第２のステップＳ２では、第１の対物軸を有する対物レンズを含む赤外線カメラにより、対象物の少なくとも１つのサーモグラフィ光画像が記録される。第３のステップＳ３では、第２の対物軸を有する対物レンズを含む投影ユニットにより、少なくとも１つの情報が対象物へ投影される。ここで、赤外線カメラの対物軸は第１の対物軸と称され、投影ユニットの対物軸は第２の対物軸と称される。なお、こうした名称は基本的に本明細書の全体に該当する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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